四川ETC车道优化技术研究

黄兴中

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.196

摘 要：四川省高速公路ETC专用车道系统自随着用户量的逐渐扩大，车辆在ETC专用车道不能正常通过的情况时有发生，个别ETC专用车道出现通过缓慢甚至拥堵的现象，使用户在专用车道体验不佳。该文对所述问题分析考虑，从车道整体设计着手采取措施，在不改变现有ETC专用车道栏杆前置布局的情况下，制定出车道改动较小、优化成本低，能有效解决邻道、跟车问题的ETC专用车道优化技术方案，达到提高过车速度和过车成功率的目的。文章通过阐述研究的过程和研究的内容，提出在原有车道布局方案基本不变，通过采用相控阵天线，提升关键设备性能以及优化软件处理逻辑的方式可以提高过车速度，提高交易成功率、较好地解决跟车干扰和邻道干扰的问题，从而提高整个ETC专用车道的过车体验度。

关键词：ETC专用车道 RSU车道布局栏杆机 技术研究

中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0196-03

四川省高速公路ETC（Electronic Toll Collection，电子不停车收费）专用车道系统自2014年10月投入使用以来，至今已建ETC专用车道1005条，发展用户约160万。随着ETC专用车道的投入使用和用户量的逐渐扩大，车辆在ETC专用车道不能正常通过的情况时有发生，个别ETC专用车道出现通过缓慢甚至拥堵的现象，这不仅对收费站的运营和管理带来不便，也使用户在专用车道体验不佳。如果不能有效提高ETC专用车道的过车体验度，将严重制约ETC用户规模的扩张和整体运营效果。因此，如何提高ETC专用车道过车体验度已经成为四川省交通主管部门和高速公路运营单位关注的焦点。

1 问题分析

作者调查收集了该省营運公司及全国其他省份的ETC专用车道的使用情况，并对四川省高速公路ETC专用车道的布局技术标准进行了认真分析。车辆由ETC专用车道经过收费站时，由于各种故障导致车辆和车道系统交易缓慢甚至交易失败，此时车辆不能正常通过收费站，必须采取人工干预、倒车、重复交易、转入MTC车道通行等措施，因此影响了ETC专用车道的过车体验度。

但究其根本原因，影响ETC专用车道过车体验度的主要因素有：车道设计不合理、用户使用不合理、专用车道设备故障或RSU设备老化、邻道干扰、跟车干扰等。

1.1 车道设计

ETC车道的土建基础和设备众多，其中最为关键的是线圈、栏杆和天线的布局。这三者之间最佳的布局关系是要保证车辆在触发线圈（车辆进入通讯区域）、天线交易、栏杆抬起、车辆离开等整个过车过程中保持平稳顺畅行驶，并且能够保持一定的车速。

四川现有ETC专用车道布局标准：

车道采用栏杆前置方案；

车道采用了4 线圈布局；

稳定通信区域为8 m；

ETC平均交易时间为0.4 s；

栏杆机抬杆时间约0.7 s；

最快过车速度小于30 km/h；

现有ETC专用车道存在技术问题如下：

栏杆机距离天线立柱只有6.5 m，且现有栏杆机抬杆时间为0.7 s，车辆正常完成交易发出抬杆指令时，车辆到栏杆机的距离仅为10 m，因此过车速度较慢，容易出现用户踩刹车减速现象。

ETC专用车道天线的通信区域为8 m，对于个别OBU安装位置不合理或信号衰减较大的车辆容易出现交易不成功的情况。

费用显示器布局靠前，用户无法方便查看费用显示器信息，导致过车速度减慢，存在一定安全隐患。

1.2 RSU设备

车道上关键设备长期暴露在室外，在高温、雨雪等特殊天气，设备性能受环境变化影响会有所降低，这会影响到ETC专用车道通过率。此外，天线在受到大风影响或过往车辆震动影响时，其安装角度会有细微变化，经过相当长一段时期使用后，天线角度的偏差越来越大，使交易区漂移，由此影响交易成功率和车道通过率。

1.3 用户方面

用户在进入ETC专用车道时，没有预先降低车速，在交易区以较高速度行驶，导致车辆OBU和天线交易失败。此外，非ETC用户误入专用车道、一车多签、OBU安装不合理等因素也会降低车道通过率。

2 解决方案

提升ETC专用车道过车体验度，应该从上文所述问题分析考虑，从车道整体设计着手采取措施，在不改变现有ETC专用车道栏杆前置布局的情况下，制定出车道改动较小、优化成本低，能有效解决邻道、跟车问题的ETC专用车道优化技术方案，达到提高过车速度和过车成功率的目的。比如提高关键设备硬件指标、优化天线布局模式、优化车道软件系统、对关键设备进行远程监控、优化交通设施布局等，通过这些方法可以有效提升ETC专用车道过车体验度。

2.1 优化关键设备硬件指标

正如上文1.1中所描述，栏杆机抬杆速度是影响过车速度的一个重要因素。我省现普遍采用抬杆速度为0.7 s的单臂高速栏杆机，通过考察研究，建议采用抬杆速度为0.3 s的双臂对开栏杆机，缩短抬杆时间。

2.2 优化天线布局模式

天线通信区域大小及稳定性是ETC过车速度和交易成功率的关键因素。由于当前RSU技术所限，最佳通讯区域在6.5 m×3.0 m左右，它综合兼顾了通车速度、交易成功率、跟车干扰和邻道干扰，但由于天线通讯区域边缘信号弱、载噪比和信噪比变差，当车辆上的OBU处于天线信号边缘时误码率将明显升高。

当通车速度超过40 km/h时，交易尚未完成车辆上的OBU已处于通讯区域边缘，通讯区域边缘信号较弱，载噪比C/N会降到10 dB以下，误码率已大于1.0E-4，所以交易成功率将明显降低。结算中心尝试采用三种方式优化天线通信区域。第一，扩大现有天线通信区域；第二，引入双天线布局模式；第三，引入相控阵天线布局模式。

2.2.1 扩大现有天线通信区域

将现有天线通信区域扩大至12 m，增大通信区域，提高过车速度。

通讯区域长度达到12 m时，横向宽度将大于3.3 m，理论上过车速度和交易成功率将有所改善，但通过实验验证，过车速度有所提升，交易成功率没有明显改善，且跟车干扰将明显增加，通讯区域宽度大于3.3 m时邻道干扰将明显增加。

2.2.2 引入双天线布局模式

由于提高单天线通讯区域虽然可以解决过车速度问题，但使得邻道干扰和跟车干扰问题更加严重，为了兼顾解决这几个问题，引入了双天线布局模式。这种布局构成两组通讯区域：一个远端通讯区（A区）和一个近端通信区（B区）。远端通信区通讯范围较大，近端通信区通信范围相对较小，仅可容纳一辆车，且设于栏杆前附近。整个通讯区域前沿距车道栏杆机位置≥18 m。

双天线通讯区域技术具有以下几点优势：

车辆通行速度得到保证。双通讯区域通讯区前沿距车道栏杆较远，驾驶员可在车道上游位置实现响应甚至完成交易，通行环境优越，有助于车速提高，使车辆最大安全通行速度可达35 km/h。

可通讯区域范围更大。为车辆提供更为充足的交易区间，栏杆前也不存在通讯盲区，有利于车辆交易成功率提升。

两组可独立运作天线大大提高系统容错能力。当某一组车道天线产生故障时，另一组车道天线仍可对来车继续进行处理，大大提高了系统对天线设备故障的容错能力。

虽然双天线布局模式具有上述的优点，但通过实验及外省实际使用情况来看，还是存在以下问题：

双天线通讯区域虽然可以达到18 m以上，但是通过两条独立的天线完成，并没有扩大单一天线的交易区域，只是通过V型立柱使前区的通讯区域更靠前。在单车或多车正常交易情况下能提高交易速度，但在连续过车时，车辆在前端通信区域交易未成功，切换至后端天线通信区域交易时，会降低过车速度。实验表明，在多车情况下对车道过车通行效率未有明显提高。

双天线ETC专用车道存在两个通讯区域，即车辆通过时可以有两次交易机会，从而提高了ETC车辆交易通过成功率。但系统需要控制车道的两台天线协同工作，协调逻辑较为复杂，增加了系统内在错误存在的可能性。

双天线所采用的还是现在使用的普通天线，此天线所存在的技术缺陷在上文中已经详细描述，因此双天线方案不能有效解决邻道干扰和跟车干扰问题。

双天线布局方案改造难度较大，需要更换天线立柱，且对收费广场要求更高，还需增加车道设备，使得建设造价、工程量和维护成本都有较大增长。

2.2.3 引入相控阵天线布局模式

相控阵天线通讯区域通过相控阵天线具有波束电子扫描的功能，对相控阵天线的波束方向调整，以达到对未完成交易车辆的跟踪与定位。相控阵天线将天线信号形成扫描波束，3.3 m×6 m的通讯区域可动态覆盖25 m长的车道，实现动态长距离连续通讯，从而消除跟车干扰，同时可以通过定位实时获得未完成交易车辆的位置，确定有效交易区域，防止邻道干扰。

相控阵通讯区域技术具有以下几点优势：

车辆通行速度得到保证。相控阵通讯区域前沿距车道栏杆最远可以达到30 m，为了系统稳定性和可靠性，通过软件设置最大允许交易区域在21 m处，驾驶员可在车道上游位置实现响应甚至完成交易，通行环境优越，有助于车速的提高，使车辆最大安全通行速度可达45 km/h。

可通讯区域范围更大。为车辆提供更为充足的交易区间，相控阵天线的波束方向调整跟踪有利于车辆交易成功率提升。

通过相控阵天线的跟踪定位功能可以有效解决跟车干扰和邻道干扰问题。

2.3 优化车道软件系统

车道软件系统是ETC专用车道过车稳定运行的关键保证，车道软件逻辑的严密性是过车可靠性的保障，但是如上文2.1所述，现有ETC专用车道交易时间为0.4s，同时存在不能删除干扰车辆等车道軟件逻辑问题。针对现有ETC专用车道软件系统问题，项目组从交易时间和车道逻辑两个方面对其进行了优化处理。

2.3.1 交易时间

车道软件交易时间优化主要是优化整个ETC专用车道交易流程，优化车道软件与天线通信处理流程，优化车道软件中的线程管理流程，提高数据传输速度，从而达到缩短交易时间的目的。

2.3.2 车道逻辑

四川原有ETC专用车道为4线圈布局，1线圈为前触发线圈，2线圈为后触发线圈，3线圈为抓拍线圈，4线圈为落杆线圈。对此，项目组考虑增加3个线圈，采用建立车辆队列和交易队列的方式来处理过车逻辑，提高车辆通过成功率。

根据线圈布局，将5个线圈分为3个区域（线圈数从左到右）：

区域1：由触发线圈1、触发线圈2组成，用于统计过车计数，标记车辆进入交易区域及车辆位置。

区域2：由触发线圈3组成，用于标记车辆位置，及抓拍车辆图片。

区域3：由触发线圈4和触发线圈5组成，用于统计过车计数，标记车辆离开交易区域。

详细参照图5线圈布局图。

三个区域中任一线圈被触发，则认为该区域有车（以1来表示有车，0来表示无车），区域车辆过车计数如下：

区域1线圈过车计数：线圈1状态[1]&&线圈2状态[0]→[1]时+1；

区域3线圈过车计数：线圈4状态[1]&&线圈5状态[0]→[1]时+1；

当天线检测到车辆上的OBU设备时既向队列内推送一辆ETC车辆，车道软件系统根据队列长度、区域1线圈过车计数、区域3线圈过车计数和线圈状态结合来判断OBU位置是否合法，是否需要推送干扰车进入队列。

详细车道逻辑如下：

天线检测到OBU信息（B2帧），向车辆队列推送一辆ETC车辆（坐标、交易状态、收到D0时的线圈状态、OBU信息）。

判断OBU坐标合法性，如果OBU坐标非法，向车辆队列推送ETC车辆时先推送一辆干扰车。

判断车辆队列中最后一辆车交易状态是否异常，如果异常，后续车辆停止交易，返回第1步；如果队列为空或状态正常继续交易。

非法ETC车辆中“未插卡”、“非法拆卸”等情况可以通过刷卡完成交易，干扰车辆之后的ETC车辆通过人工刷卡完成交易。

抬杆放行，当队列内为空或首辆车的交易状态异常时落杆。

2.4 对关键设备进行远程监控

可以考虑在全省范围内建设一个远程监控平台，对ETC专用车道关键设备进行远程监控。在车道发生异常状况时能及时进行人工干预，更重要的是系统能记录异常状况及其发生的原因，并能够对异常状况的发生进行统计。

当某特定车道较频繁发生异常情况时，可以初步判断该车道存在某种潜在故障。特别是关键设备性能相较设计指标有所偏差（例如可能是天线交易区漂移，异常天气使设备性能降低等），此时可以主动检查关键设备并进行远程维护，保证系统中关键设备性能优良，从而提升ETC专用车道车辆通过率。

当某特定用户较为频繁出现通行故障时，可以初步判断该用户OBU及非现金支付卡可能出现潜在故障（如OBU电量低，或非现金支付卡未插好等），运营单位可以对该用户进行主动式客户服务，以提高用户在ETC专用车道的通过率。

2.5 合理布置交通设施

设置彩色路面防滑标识。在现有国标规范所要求设置的标识基础上，增加彩色路面防滑标识。该方法可以提升ETC专用车道通道感，降低非ETC用户误入ETC专用车道的概率，由此提高通过效率。同时，该方法还具有车道诱导更直观、路面更防滑等安全特点。

设置反光导引路标。在光线不足的通行条件下（如夜间），反光导引路标同样起到提升通道感的作用，有效避免非ETC用户误入ETC车道的现象，同时这也是加强车道行驶安全防范措施之一。

调整费显位置。将原有费用显示器调整到栏杆机前1m出，同时调整费用显示器字符大小和亮度。该方式可以方便ETC专用车道用户查看消费情况，避免ETC专用车道用户因为查看费用显示器而主观减速，由此提高通过效率。

3 方案驗证及结论

3.1 方案验证说明

作者提出了三种布局解决方案，并分别进行了车道改造及实车测试，在此基础上对三种方案进行了对比。方案一，不改变原有车道布局，增大原有天线通信区域；方案二，采用双天线布局方式；方案三，采用相控阵天线布局方式。

通过比较，方案一可以有效提高ETC专用车道车辆通行速度，但存在交易成功率下降等诸多问题；方案二，可以提高ETC专用车道车辆通行速度和通行成功率，但软件处理逻辑复杂，软件修改工作量大，调试难度较大，且不能有效解决跟车和邻道干扰问题；方案三，可以提高ETC专用车道车辆通行速度和通行成功率，同时能够较好解决跟车和邻道干扰问题，改造难度比方案二小，但投资较高。

3.2 结论

终上所述，在原有车道布局方案基本不变，通过采用相控阵天线，提升关键设备性能以及优化软件处理逻辑的方式可以提高过车速度，提高交易成功率、较好的解决跟车干扰和邻道干扰的问题，从而提高整个ETC专用车道的过车体验度。